專利名稱：一種光電接觸式流速測量方法及其傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開放流場流速測量技術(shù)，尤其涉及一種光電接觸式流速測量方法及其傳感器。
背景技術(shù)：
流速是開放式流場最基本的物理量之一，對流體速度場的獲取是認(rèn)識流體流動特性的關(guān)鍵，如何準(zhǔn)確快速的獲取流體流速一直是現(xiàn)代水工量測技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點。
對于開放式流場，現(xiàn)普遍采用的流速測量方法主要有機(jī)械式旋漿、畢托管、激光多普勒流速儀和粒子圖像測速儀等?；跈C(jī)械旋槳、畢托管技術(shù)的流速測量裝置價格較為低廉，適合于一般工程應(yīng)用，但存在對原有流場有破壞、對小流速不敏感、測量誤差較大等缺點。激光多普勒測速儀與粒子圖像測速儀又因為價格過于昂貴，不適于大范圍推廣應(yīng)用，且兩種測速裝置都只能測量流體中顆粒的速度，而迄今為止流體中顆粒的"跟隨"問題仍然是一個令業(yè)界較為頭痛的難題。
迄今為止，互相關(guān)方法僅被用于封閉流場(如管道等)兩相流流速的非接觸式測量，且其一般基于超聲波調(diào)制機(jī)理，而從未發(fā)現(xiàn)有基于光學(xué)互相關(guān)方法的開放流場流速測量的相關(guān)文獻(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種光電接觸式流速測量方法，該方法包括測定相同時刻、相同強(qiáng)度的光信號在水流上、下游的透射光強(qiáng)度，利用互相關(guān)算法計算兩個接收到的光信號間的時延Af ，
根據(jù)Ar計算水流流速。
其中，上述的測定相同時刻、相同強(qiáng)度的光信號在水流上、下游的透射光強(qiáng)度，包括1)設(shè)置兩對光傳感器光發(fā)射器1#和光接收器1@，光發(fā)射器2#和光接收器2@; 2)獲取經(jīng)水流流動噪聲信號調(diào)制后的兩個光信號。
其中，光發(fā)射、接收器件為非一般可見光光電傳感器，選用光電傳感器件的標(biāo)準(zhǔn)在于其能避免可見光對實驗結(jié)果的影響； 一般可選用紅外光電器件。
步驟l)設(shè)置兩對光傳感器'，包括沿水流流動方向，分別設(shè)置兩個光發(fā)射器1#、 2#;沿水流流動方向，在兩個光發(fā)射器的同側(cè)對立位置，分別設(shè)置兩個光接收器1@、 2@，兩光發(fā)射器間距和兩光接收器間距均為/且光發(fā)射器1#、 2#和光接收器1@、 2@在同一水平面內(nèi)；
2個光發(fā)射器和2個光接收器的4個位置，沿流體流動方向成矩形對稱，其中，/長度范圍應(yīng)根據(jù)光電器件大小，盡可能設(shè)置小。
步驟2)包括光發(fā)射器1#、 2#分別向光接收器1@、 2@發(fā)射光強(qiáng)相同的光信號，實時
4記錄同一時刻光接收器1@、 2@接收到的透射光強(qiáng)度。
利用互相關(guān)算法計算兩個接收到的光信號間的時延Ar，并根據(jù)Ar計算水流流速，包括:根據(jù)下式計算流體流速v。
式中/為兩光發(fā)射/接收器間距，為了符合流動噪聲統(tǒng)計繼承性條件，間距應(yīng)盡可能小，根據(jù)光發(fā)射/接收器大小，其間距可控制在10cm之內(nèi)；
Ar為兩光接收器在同一時刻收到的兩個光信號間的時延；
本發(fā)明還提出了一種基于光電接觸式流速測量方法的傳感器，它包括兩個光發(fā)射器、
兩個光接收器、支撐架；兩個光發(fā)射器安裝在支撐架內(nèi)的同側(cè)，兩個光接收器安裝在支撐架內(nèi)與兩個光發(fā)射器相對的另一側(cè)，兩個光發(fā)射器和兩個光接收器的四個固定位置成矩形對稱;光發(fā)射器和光接收器一一對應(yīng)。
本發(fā)明采用的支撐架結(jié)構(gòu)如下支撐架上部成弧型，下部為兩個平行的豎直壁；整個支撐架的迎水面6全都設(shè)置成弧形，以減小對水流的阻力，支撐架橫截面成"H"型；其中豎
直壁為雙層結(jié)構(gòu)，豎直壁的內(nèi)層上有與光發(fā)射器/光接收器固定位置及大小相匹配的通孔，豎直壁的外層的內(nèi)表面上有與光發(fā)射器/光接收器固定位置及大小相匹配的凹槽，光發(fā)射器/光接收器穿過內(nèi)層的通孔嵌在外層的凹槽內(nèi)，光發(fā)射器/光接收器的供電線、光接收器與數(shù)據(jù)處理器間的數(shù)據(jù)輸出線布置于豎直壁的內(nèi)、外層間的縫隙中；豎直壁的內(nèi)、外層、光發(fā)射器/光接收器之間的縫隙用密封膠密封固定。
為了符合統(tǒng)計繼承性的條件，兩個光發(fā)射器/光接收器間距離應(yīng)盡可能小，根據(jù)光發(fā)射/接收器大小，其間距可控制在10cm之內(nèi)；為了減小傳感頭本身結(jié)構(gòu)對水流特性的影響，傳感器厚度應(yīng)盡可能小，根據(jù)光發(fā)射/接收器大小，支撐架的厚度可控制在4 6mm之內(nèi)，支撐架縱向長度大于光發(fā)射器間間距，支撐架上部的弧型部分豎直高度范圍1 3cm，支撐架下部的豎直壁高度范圍2 4cm。
本發(fā)明的有益技術(shù)效果是對小流速敏感、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、測量精度高。


圖l、本發(fā)明的傳感頭裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2、本發(fā)明的系統(tǒng)組成示意圖； .圖3、光發(fā)射器/光接收器固定位置處豎直壁截面示意圖；圖4、基于統(tǒng)計繼承原理的流體流動物理模型示意圖中光發(fā)射器l、光接收器2、支撐架3、固定懸梁4、信號處理器5。
具體實施方式
基于尚未發(fā)現(xiàn)利用互相關(guān)算法實現(xiàn)開放流場流速測量的事實，以及開放式流場(如明渠等)現(xiàn)有流速測量方法的缺陷，利用光學(xué)測量的優(yōu)點，研究如何將光學(xué)互相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于開放式流場流速測量，不僅具有較高的理論價值，而且具有相當(dāng)大的實際應(yīng)用意義。
本發(fā)明所依據(jù)的原理
流體在流動過程中，內(nèi)部似"微團(tuán)"形式的流動噪聲之間存在相互作用與能量交換。雖然流體內(nèi)部流動噪聲狀況隨時呈現(xiàn)出隨機(jī)、無規(guī)律變化，但在流動方向上，存在較好的統(tǒng)計繼承性。
參見附圖4，基于統(tǒng)計規(guī)律的流體流動數(shù)學(xué)模型示意圖，為了簡化討論，在流體中截取一圓柱水體進(jìn)行考慮，其中任一斷面的流動噪聲用橢圓表示。假設(shè)水流速度為v。，斷面a與斷面b距離為/。
根據(jù)流動噪聲統(tǒng)計繼承性，被測流體在斷面a處的流動噪聲，經(jīng)過一定的時間會重復(fù)出
現(xiàn)在下游的斷面b處。假設(shè)上游流動噪聲為x(O,則上下游流動噪聲關(guān)系公式可表示為(D式
少(O = x0 - △ r) + ， /) ①
其中，為流動噪聲在傳遞過程中疊加的干擾，少(o為下游流動噪聲。根據(jù)實際情況
可知，斷面距離/越遠(yuǎn)，w(f,/)就越大，反之亦然。
斷面距離/越小，統(tǒng)計繼承性越接近理想狀態(tài)，當(dāng)/足夠小時，可以近似忽略不計。
則O式簡化為
j(/),-Ar) ②通過公式②可見，上下游流動噪聲信號為有一時延Ar的互相關(guān)信號。時延Af 、斷面間距離/、流速v。存在以下關(guān)系
在測量過程中，斷面間距離/為定值，通過求得流動噪聲時延Az"，就可以計算得到與流動噪聲速度相等的水流流速v。；所以，如何間接獲得表面流體流動噪聲信號，及精確求取流動噪聲時延Ar是實現(xiàn)流體表面流速精確測量的關(guān)鍵。
由于光束在水中傳播時具有良好的束射、調(diào)制及耦合特性，故利用光束在水中傳播時流動噪聲對光信號強(qiáng)度的調(diào)制機(jī)理，通過對光信號強(qiáng)度的實時獲取來間接感知流體中流動噪聲的變化情況。
沿水流流動方向，分別設(shè)置兩個光發(fā)射器1#、 2#;沿水流流動方向，在兩個光發(fā)射器的同側(cè)對立位置，分別設(shè)置兩個光接收器1@、 2@，兩光發(fā)射器間距和兩光接收器間距均為/且光發(fā)射器1#、 2#和光接收器1@、 2@在同一水平面內(nèi)；2個光發(fā)射器和2個光接收器的4個位置，沿流體流動方向成矩形對稱；
其中，/為兩光發(fā)射/接收器間距，為了符合流動噪聲統(tǒng)計繼承性條件，間距應(yīng)盡可能小，根據(jù)光發(fā)射/接收器大小，其間距可控制在10cm之內(nèi)。光發(fā)射器1#、 2#的光強(qiáng)均為/，在受到式②的流體噪聲調(diào)制后，由光接收器1@、 2@接收到的光強(qiáng)信號分別為/^)、 /2(0:<formula>formula see original document page 7</formula>
其中，A、 &分別是由1#、 2#光發(fā)射器發(fā)出的光束在水中傳播時的衰減系數(shù)，由于光束在水中傳播長度相同(即光發(fā)射器1#和光接收器1@的間距與光發(fā)射器2#和光接收器2@的間距相同)，且水質(zhì)相同，故&=^=^:，同時將②式代入④式，可得
由公式(D可知，由光接收器輸出的光強(qiáng)信號為經(jīng)過流動噪聲調(diào)制過的，彼此有一時延Ar的互相關(guān)信號。
故，上位機(jī)5可根據(jù)光接收器1@、 2(^接收到的光強(qiáng)信號A(0、 /2(0，利用互相關(guān)算法(公式⑥)求取光發(fā)射器輸出信號經(jīng)水流流動噪聲調(diào)制后的時延Ar，
式中，7V為一個采樣周期內(nèi)的采樣個數(shù)；/JW)為1@光接收器在一個采樣周期內(nèi)接收到
的第"個光強(qiáng)信號；/2(" +附)為2(g光接收器在一個采樣周期內(nèi)接收到的與/,(")相匹配的第w個光強(qiáng)信號
在相關(guān)序列&(m)中，找到i^最大值對應(yīng)的m。點，然后根據(jù)采樣周期T可以得到兩個信號之間的時延，
Ar = w0T ⑦
在求得Ar的基礎(chǔ)上，根據(jù)下式可求得水流流速v。
_ / = /
為了實現(xiàn)對流動噪聲信號的獲取，本發(fā)明提出了一種傳感器及其裝置的具體結(jié)構(gòu)如圖l所示的傳感裝置它包括兩個光發(fā)射器l、兩個光接收器2、支撐架3、長度可伸縮的固定懸梁4、信號處理器5 (參見圖2，所述結(jié)構(gòu)構(gòu)成傳感頭)，其中，支撐架3上部成弧型，下部為兩個平行且與水平面垂直的豎直壁；整個支撐架的迎水面6全都設(shè)置成弧形，以減小.對水流的阻力，支撐架3橫截面成"D "型；固定懸梁4下端與支撐架3的弧頂固定連接；
兩個光發(fā)射器1固定在支撐架3的其中一個豎直壁的內(nèi)側(cè)，兩個光接收器2固定在支撐架3的另一個豎直壁的內(nèi)側(cè)，且光發(fā)射器1和光接收器2都在同一水平面內(nèi)，兩個光發(fā)射器l和兩個光接收器2的四個固定位置成矩形對稱； 一個光發(fā)射器l 一一對應(yīng)一個光接收器2，兩個光接收器2輸出的電信號由信號處理器5進(jìn)行采集、處理。
參見附圖3，豎直壁為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)的豎直壁層上有與光發(fā)射器1/光接收器2固定位置及大小相匹配的通孔，外側(cè)的豎直壁層的內(nèi)表面上有與光發(fā)射器1/光接收器2固定位置及大小相匹配的凹槽，光發(fā)射器l/光接收器2穿過通孔嵌在凹槽內(nèi)，光發(fā)射器l/光接收器2的供電線、光接收器2與數(shù)據(jù)處理器5間的數(shù)據(jù)輸出線布置于豎直壁的內(nèi)、外層間的縫隙中；豎直壁的內(nèi)、外層、光發(fā)射器l/光接收器2之間的縫隙用密封膠密封固定。
支撐架3下部采用兩個平行的豎直壁，是為了保證光發(fā)射器1發(fā)出的光能正向照射到光接收器2上。
支撐架3上部的弧型結(jié)構(gòu)是根據(jù)水工學(xué)曼寧公式，保證在裝置截面積一定的前提下，盡量使水流無阻礙通過，從而盡可能減少裝置結(jié)構(gòu)對原有流場的破壞。
實際使用中，為了屏蔽可見光對測量數(shù)據(jù)的影響，光發(fā)射器1可選用帶防水功能的紅外發(fā)光管，而光接收器2可選用帶防水、信號放大功能的紅外光電晶體管，二者直徑都小于5mm。為了保證兩發(fā)射器的光線不串?dāng)_，且為了保證精度，光發(fā)射器l間距離(也是光接收器2間距離)可以控制控制在10mm之內(nèi)。而傳感裝置結(jié)構(gòu)高度可以設(shè)定為3cm (豎直壁)+2cm(弧形)，其厚度5mm (以上參數(shù)均為一種優(yōu)選值)。
權(quán)利要求
1、一種光電接觸式流速測量方法，其特征在于測定相同時刻、相同強(qiáng)度的光信號在水流上、下游的透射光強(qiáng)度，利用互相關(guān)算法計算兩個接收到的光信號間的時延Δτ，根據(jù)Δτ計算水流流速。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電接觸式流速測量方法，其特征在于測定相同時刻、相同 強(qiáng)度的光信號在水流上、下游的透射光強(qiáng)度，包括1)設(shè)置兩對光傳感器光發(fā)射器1#和 光接收器1@，光發(fā)射器2#和光接收器2@; 2)獲取經(jīng)水流流動噪聲信號調(diào)制后的兩個光信號。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光電接觸式流速測量方法，其特征在于光發(fā)射器、光接收器 采用紅外光電器件。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光電接觸式流速測量方法，其特征在于步驟l)設(shè)置兩對光 傳感器，包括沿水流流動方向，分別設(shè)置兩個光發(fā)射器1#、 2#;沿水流流動方向，在兩個 光發(fā)射器的同側(cè)對立位置，分別設(shè)置兩個光接收器1@、 2@，兩光發(fā)射器間距和兩光接收器間距均為/，且光發(fā)射器1#、 2#和光接收器1@、 2@在同一水平面內(nèi)；2個光發(fā)射器和2個光 接收器的4個位置，沿流體流動方向成矩形對稱。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光電接觸式流速測量方法，其特征在于步驟2)包括光發(fā)射器1#、 2#分別向光接收器1@、 2@發(fā)射光強(qiáng)相同的光信號，記錄同一時刻光接收器1@、 2@接收到的透射光強(qiáng)度。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電接觸式流速測量方法，其特征在于根據(jù)Ar計算水流流速，包括根據(jù)下式計算流體流速V。，式中/為兩光發(fā)射/接收器間距，間距在10cm之內(nèi)；Ar為兩光接收器在同一時刻收到的兩個光信號間的時延。
7、 一種基于光電接觸式流速測量方法的傳感器，其特征在于它包括兩個光發(fā)射器(l)、 兩個光接收器(2)、支撐架(3);兩個光發(fā)射器(1)固定在支撐架(3)內(nèi)的同側(cè)，兩個光 接收器(2)固定在支撐架(3)內(nèi)與兩個光發(fā)射器(1)相對的另一側(cè)，兩個光發(fā)射器(1)和兩個光接收器(2)的四個固定位置成矩形對稱；光發(fā)射器(1)和光接收器(2) —一對應(yīng)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于光電接觸式流速測量方法的傳感器，其特征在于為了盡可能減小傳感器本身對水流特性的影響，根據(jù)水工曼寧公式，其支撐架(3)上部成弧型，下 部為兩個平行的豎直壁，整個支撐架的迎水面6全都設(shè)置成弧形，以減小對水流的阻力，支撐架(3)橫截面成"n"型。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于光電接觸式流速測量方法的傳感器，其特征在于豎直壁 為雙層結(jié)構(gòu)，豎直壁的內(nèi)層上有與光發(fā)射器(1) /光接收器(2)固定位置及大小相匹配的通 孔，豎直壁的外層的內(nèi)表面上有與光發(fā)射器(1) /光接收器(2)固定位置及大小相匹配的凹 槽，光發(fā)射器(1) /光接收器(2)穿過內(nèi)層的通孔嵌在外層的凹槽內(nèi)，光發(fā)射器(1) /光接 收器(2)的供電線、光接收器(2)與數(shù)據(jù)處理器(5)間的數(shù)據(jù)輸出線布置于豎直壁的內(nèi)、 外層間的縫隙中；豎直壁的內(nèi)、外層、光發(fā)射器(1) /光接收器(2)之間的縫隙用密封膠密 封固定。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于光電接觸式流速測量方法的傳感器，其特征在于兩個 光發(fā)射器(1) /光接收器(2)間距離范圍在10cm之內(nèi)；支撐架(3)的厚度為4~6mm，支 撐架(3)上部的弧型部分豎直高度范圍1 3cm，支撐架(3)下部的豎直壁高度范圍2-4cm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光電接觸式流速測量方法，它利用“同一時刻，相同光強(qiáng)的光信號分別經(jīng)上、下游水流流動噪聲調(diào)制后的時延”來計算水流流速；本發(fā)明還公開了一種基于光電接觸式流速測量方法的裝置，它包括兩個光發(fā)射器、兩個光接收器、“∩”型支撐架、長度可伸縮的固定懸梁、信號處理器，信號處理器通過對光接收器接收的信號進(jìn)行處理分析即可求得水流流速；本發(fā)明的有益技術(shù)效果是對小流速敏感、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、測量精度高。
文檔編號G01P5/26GK101498739SQ20091010337
公開日2009年8月5日 申請日期2009年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月13日
發(fā)明者丁甡奇, 俊 吳, 張緒進(jìn) 申請人:重慶交通大學(xué)